CN1304836C - 检验宝石的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的仪器具有一个安装下列部件的壳体(1)，由此提供一种整装在壳体内的独立的仪器，下列部件包括：耦合到隔热容器(2)的窗口(5)处的小型固态532纳米激光器(9)，该容器(2)用于盛放液氮和宝石(4)；耦合到窗口(5)上的小型固态二极管655纳米激光器(10)；两台在550到1000纳米范围内检测带有零声子线的发光特性的小型且灵敏的电荷耦合器件(CCD)的光谱计(11a)和(11b)；用于处理来自光谱计(11a)和(11b)的信号的处理器(17)，以便指明该宝石(4)是否是未经受照射处理或高压高温处理的天然钻石；和显示器(18)。容器(2)具有盖(6)和杆(8)，其用于放置宝石(4)和紧靠着窗口(5)保持该宝石(4)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于检验宝石的装置，其包括用于容纳该宝石并且具有窗口的隔热容器；使用深冷剂冷却该容器的装置；用于该容器的盖；用于经由所述窗口照射该宝石的激光器；光谱计，其用于经由所述窗口检测由该宝石所发出的光致发光光谱并且在它的输出端给出相应的光谱数据信号；阻挡滤光器，其位于该窗口和该光谱计之间，以用于滤出该照射射线波长的射线；处理器，其连接到该光谱计的输出端，以用于分析来自该光谱计的光谱数据；连接到该处理器的显示器，其用于显示关于该宝石的信息；和支撑结构。
本发明还涉及一种检验宝石的方法，其包括用激光器照射该宝石，检测由该宝石发射出的光致发光光谱，并且在显示器上显示有关该宝石的信息，使用一种包括支撑结构的装置，该支撑结构至少携带下列部件：用于容纳该宝石并且具有至少一个窗口的隔热容器；使用深冷剂冷却该容器的装置；用于该容器的盖；用于经由所述窗口照射该宝石的激光器；光谱计，其用于经由所述窗口检测由该宝石所发出的光致发光光谱并且在它的输出端给出相应的光谱数据信号；阻挡滤光器，其位于该窗口和该光谱计之间，以用于滤出该照射射线波长的射线；处理器，其连接到该光谱计的输出端，以用于分析来自该光谱计的光谱数据；以及连接到该处理器的显示器，其用于显示关于该宝石的信息。
背景技术
由Lawson等人撰写的刊登在美国物理学会的《应用物理杂志》第79卷第8期(1996年4月)第4348到4357页上的一篇题为《在合成钻石中有关钴的光心的光谱研究》的文章披露了这样一种装置和这样一种方法，其表明在实验室中能够产生并分析磨光宝石的光致发光光谱。在由Adamas Gemological Laboratory在它们的网址http://www.gis.net/～adamas/raman.html上刊出的题为“SAS2000RAMANSpectra”的一份出版物，和由Fisher等人撰写的刊登在《宝石和宝石学(Gems & Gemology)》杂志第36卷第1期(2000年春)的第42到49页上的一篇题为《经GE POL高压高温处理的天然IIa类钻石的光谱资料》的文章中，披露了能够实现相似目的的另外一些实验室装置。在由Buerki及其合作者撰写的、刊登在《钻石和有关材料(Diamond andRelated Material)》杂志1999年第8卷第1061到1066页上的一篇题为《对在宝石质量为Ia类的钻石中H2瑕疵的观测报告》文章中披露了相似的装置的使用。
使用光致发光光谱是一种用于检测晶格中微量原子杂质和其它缺陷的很好的技术，但是在室温下，这种技术很不灵敏。假如把宝石的温度降低到液氮温度(约-196℃)，在某些情况下，能够使灵敏度提高几个数量级，而且为了检测一颗钻石是否是合成的，或者检测某些钻石为了改善它们的色彩是否经过处理，就需要这样级别的灵敏度。然而，提供液氮温度的装置是一种实验室设备，而在零售条件下是不适用的。正如WO 01/33203A即上文提及的Lawson等人的文章和上文提及Buerki等人的文章中所披露的，这种设备通常是一种昂贵的低温恒温器。期望现有的商用低温恒温器能够提供直至室温及室温以上连续任意可变的、可控制的预选温度。通常，为了避免出现冷凝水，商用的低温恒温器还要对样品室抽真空。虽然有些液氮低温恒温器是很小的，但是它们需要气体流动系统和真空泵，因而增加了复杂性，而且抽真空还需要时间。Peltier(珀尔帖)冷却式低温恒温器和Joule-Thomson(焦耳-汤姆逊)低温式恒温器是很小的，但是它们容易损坏，而且价格昂贵；Joule-Thomson低温式恒温器工作时还需要高压气体。此外，在正常情况下，所用的激光器是比较大的笨重而昂贵的气体激光器。总的来说，这种设备在使用中需要熟练的技巧。
能够确定一颗磨光宝石是否是未处理的天然钻石是重要的。
本发明的一个目的在于克服或改进现有技术中的至少一个缺点，或者提供一种有效的替代装置。
所希望的是提供一种能够为宝石商采用的装置，因此这种仪器不需要熟练的技巧，相对来说不昂贵，容易操作，而且使用快捷，但这需要接受这样的事实：即这种仪器不能够以完美的准确度检测所有各类钻石。本发明的主要目的在于大大地减少需要在更先进的设备上进行强度更大而且更费时的检测的宝石的数目。
发明内容
本发明提供了一种用于检验宝石的装置，其包括：用于容纳该宝石并且具有窗口的隔热容器；使用深冷剂冷却该容器的装置；用于该容器的盖；用于经由所述窗口照射该宝石的激光器；光谱计，其用于经由所述窗口检测由该宝石所发出的光致发光光谱并且在它的输出端给出相应的光谱数据信号；阻挡滤光器，其位于该窗口和该光谱计之间，以用于滤出该照射射线波长的射线；处理器，其连接到该光谱计的输出端，以用于分析来自该光谱计的光谱数据；连接到该处理器的显示器，其用于显示关于该宝石的信息；和支撑结构；其特征在于，该装置用于指明磨光宝石是否是未经受照射处理和/或未经受高压高温处理的天然钻石，该处理器和该显示器用于指明该宝石是否是未经受照射处理和/或未经受高压高温处理的天然钻石；该容器用于容纳该宝石和该深冷剂，以便将该宝石直接浸在该深冷剂中，并且该窗口位于该容器的底部，以便将该宝石的一个小平面放置在邻近该窗口处；和该支撑结构安装有上述部件，并提供了一整装在壳体内的且独立的仪器，该激光器被耦合到所述窗口，且该光谱计被耦合到所述窗口。
本发明还提供一种用于检验宝石的方法，其包括用激光器照射该宝石，检测由该宝石发射出的光致发光光谱，并且在显示器上显示有关该宝石的信息，使用一种包括支撑结构的装置，该支撑结构至少携带下列部件：用于容纳该宝石并且具有至少一个窗口的隔热容器；使用深冷剂冷却该容器的装置；用于该容器的盖；用于经由所述窗口照射该宝石的激光器；光谱计，其用于经由所述窗口检测由该宝石所发出的光致发光光谱并且在它的输出端给出相应的光谱数据信号；阻挡滤光器，其位于该窗口和该光谱计之间，以用于滤出该照射射线波长的射线；处理器，其连接到该光谱计的输出端，以用于分析来自该光谱计的光谱数据；以及连接到该处理器的显示器，其用于显示关于该宝石的信息；其特征在于，该方法用于指明磨光宝石是否是未经受照射处理和/或未经受高压高温处理的天然钻石，该处理器用于指明该宝石是否是未经受照射处理和未经受高压高温处理的天然钻石，并且该显示器用于显示出指明该宝石是否是未经受照射处理和/或未经受高压高温处理的天然钻石的信息；该宝石和该深冷剂放置在该容器中，以便将该宝石直接浸在该深冷剂中，并且该窗口位于该容器的底部，以便将该宝石的一个小平面放置在邻近该窗口处；和该支撑结构安装有上述部件，并提供了一整装在壳体内的且独立的仪器，该激光器被耦合到所述窗口，且该光谱计被耦合到所述窗口。
应当理解，可通过合成方法将宝石制成钻石。也可使天然钻石经受高压高温(HPHT)处理，或者使天然钻石经受照射处理，以便通过例如增强它们的色彩来提升它们的价值。
优选地，在本发明所述的装置中，所述激光器发射出约530纳米的射线。
优选地，在本发明所述的装置中，该光谱计或每一个光谱计是小型CCD(电荷耦合器件)光谱计。
优选地，在本发明所述的装置中，所述第一光导纤维光缆的横截面积显著地小于所述另一光导纤维光缆的横截面积。
优选地，在本发明所述的装置中，该向下突出部分是中空的管。
本发明的装置是耐用的、小巧的、使用方便的、且使用快捷的，相对而言不昂贵，而且不需要使用熟练的技巧或者说没有困难的操作，因此能够被宝石商们所采用，尽管这种装置也能够在宝石实验室中使用。
与常规的低温恒温器不同，本发明的仪器既不包括真空系统，也不包括热电式冷却器。它使用了一种很简单的避免出现冷凝问题的方法。宝石样品能够被直接浸在深冷剂(也就是一种低温液体或液化的气体)中，并且保持在隔热容器中的深冷剂浴槽内。此容器的尺寸和它的隔热层设计成，使得深冷剂保持的时间达到几分钟到几十分钟。为了防止在窗口出现冷凝，在测试期间，不容许深冷剂浴槽变干。深冷剂浴槽比常规的低温恒温器更小、更便宜，使用更快捷，而且，特别是由于使用了一种使宝石抵靠窗口而保持的专用保持部件，使这种装置成为一种几乎不需要操作技能的装置。
优选的深冷剂是液氮，因为它容易获得，而且使用安全。然而，如果给予适当注意的话，也可以使用液氧，而且它提供的温度只比液氮温度高约10℃。一般说来，任何合适的液化气体或液化气体的混合物都能够使用，只要它的温度低于约负100℃，低于约负120℃是优选的，低于约负150℃或约负160℃是更优选的；为了检测经高压高温处理的宝石，最高温度为约负100℃。
本发明能够在低于负100℃的温度下进行快速的光致发光测试。测试时间可以从几秒钟延长到几十秒钟。在一个使用液氮的实例中，与使用在WO 01/33203A中所披露的那种常规的实验室设备中每件样品需费时15到30分钟相比，在每15分钟用液氮把容器充满的情况下，能够使这种仪器以每件样品15到20秒的速率进行工作。在测试以后，使用具有一种适当的算法的处理器分析光致发光光谱，并且把结果显示在显示屏上。鉴于本发明的这种仪器的快速检测，它在一般每天检测几百颗钻石的宝石实验室中是特别有用的。
本发明不能够绝对正确地确定一颗磨光宝石是否是一颗没有经受高压高温处理的未处理的天然钻石。这种仪器检测出所有未处理的合成钻石和经高压高温处理的天然或合成钻石，作为参照品(即驳回品)。然而，它也会检测出大约15％到30％未处理的天然二类钻石(type IIdiamond)作为驳回品。尽管如此，特别是，如果连同一台或几台其它仪器，例如(WO 91/16617中的)DiamondSure 1仪器或(WO 91/16617中的、但是经过改进能够进行更宽的光谱测试的)DiamondSure 2仪器，一起用于测试宝石，这种仪器在实践中还是很有用的。可以把本发明的仪器当作一种预测或筛选仪器，而不是一种高压高温处理的检测器，本发明的目的在于极大地减少需要在更先进技术的光谱设备上进行仔细而耗时的探查的宝石的数目。
设计本发明的仪器主要是为了筛选经受高压高温处理以减少它们色彩的天然二类钻石。在这种应用场合，对钻石进行预先的筛选，以识别那些天然钻石和二类钻石，也就是剔除所有那些合成钻石或者非二类天然钻石。二类钻石被定义为在500和1500厘米-1之间的红外线光谱的所谓‘缺陷诱发的单声子’的区域中呈现不吸收的那些钻石。由测试在这个区域的红外线光谱，或使用DiamondSure 2仪器，就可以确定这种类型。因为DiamondSure 2仪器将天然钻石和合成二类钻石提交权威机构检查(refer)(也就是剔除)，所以为了确定这些钻石是否是合成的，要对来自DiamondSure 2仪器的参照品进行试验；或者，可以应用标准的宝石学技术。
本发明的仪器也会将所有经过高压高温处理的天然一类钻石(一类钻石被定义为由于在缺陷诱发的单声子的区域中氮的杂质而呈现吸收的那些钻石)提交权威机构检查。然而，较大量的未处理的天然一类钻石也会被提交权威机构检查，所以本发明的仪器在检测天然一类钻石的高压高温处理中不是有效的。
假如本发明的仪器用于检测的只是照射处理，那么不需要用其它仪器进行预筛选。当所有类型的钻石都已经接受过照射时，它们都有741纳米的零声子线。
可对本发明的仪器进行编程，以便只是为了指明宝石是否是一颗未处理的天然钻石。这样，本发明的仪器可如此编程，即，以便把宝石分成两类，即“通过”(也就是指明该宝石是一颗没有经受照射处理或高压高温处理的未处理的天然钻石)，和“需提交权威机构检查(refer)”，假如被指明是“提交权成机构检查”类的，则能够给出有关光谱特性的比率，以帮助进一步的分类。或者，本发明的仪器如此编程，即为了给出更多的信息，例如，该宝石是否就是一颗钻石，或者是否是一颗合成钻石，或者是否是一颗合成钻石/天然钻石的双层宝石(doublet)(这种双层宝石能够通过对一颗天然钻石进行合成钻石的化学汽相淀积(CVD)制成)，或者是否是一颗为了改善它的色彩而经过照射和/或经受高压高温处理的天然钻石。在这种情况下，本发明的仪器能够显示如下三种可能的结果中的一种：
“通过”：不需要再进行测试，认为此样品就是天然的和未处理的；
“需提交权威机构检查”：因为(除了所有经过高压高温处理的天然和合成钻石外)，一小部分百分比的天然的未处理的二类钻石也会给出这样的结果，所以需要更先进技术的光谱测试；
“需提交权成机构检查，同时给出某些光谱特征的亮度比的数字结果”：所显示的数字结果可以不需要更先进技术的光谱测试就足以确定该样品是经过高压高温处理的(例如，在上文提到的由Fisher等人写的文章中就介绍了这种亮度比的用途)。
虽然该仪器会对所有合成钻石都给出“需提交权威机构检查”结果，但是由观察特定的光谱特性能够明显地鉴别是否是经高压高温处理的合成钻石。
有可能配置检测钻石的Raman线(喇曼线)及其强度的仪器，并且以这种方式，可以使涉及的光致发光特性标准化，从而使这种技术更加定量化。Raman线的强度随宝石的尺寸或宝石的切割特征而变化，而且为了减少宝石尺寸和切割特性的影响，按照Raman线的强度能够求出发光特性的比值。
假如只有一个激光器，而且只有一种照射波长，那么本发明的仪器仍是可以使用的。然而，最好提供两种波长的照射，而且为了做到这一点，最好提供两个激光器，而且最好有两台光谱计。这两台光谱计能够覆盖两个不同的、但是部分重叠的波长区。理论上，有可能使用非相干或宽带的射线来照射宝石以产生光致发光光谱，虽然为了产生上文提到的Raman线，需要高纯度的单色射线。
由一条或几条光导纤维光缆的端部能够形成该窗口，这些光缆端部被套圈所包裹。此套圈和这些光导光缆应该具有低的热质量，而且能够承受热循环。正常地，在容器中只有一个窗口，虽然，理论上有可能具有多于一个的窗口，一个窗口与一个或几个激光器耦合，而另一个窗口则与一个或几个光谱计耦合。实际上，在正常情况下此窗口位于容器的最底部，从而使钻石能够容易地就位，并且能够由重力使钻石抵靠在窗口上。然而，理论上此窗口能够位于容器的侧边，尽管这样安置使用起来会不方便，并且还需要专用的固定装置。
隔热容器的深度能够小于约50毫米或者约30毫米，而且它的平面面积能够小于约5000毫米2或4000毫米2，或者甚至小于约400毫米2。激光器或第一或第二激光器的额定功率可以小于约100毫瓦，譬如说在约10毫瓦和约50毫瓦之间。这些激光器之一可以是一种二极管激光器，尺寸极小，小于10×10毫米。其它激光器的直径能够小于30毫米，长度能够小于200毫米，甚至小于75毫米。光谱计的尺寸能够小于约150×200×50毫米。本发明的仪器的高度约150毫米，或者还要小一些，譬如说约150毫米或约100毫米，外形的平面长度小于约550毫米，而外形的平面宽度小于约250毫米或者约200毫米。
附图说明
现在将参阅附图，以实例来说明本发明的实施例，在这些附图中：
图1为通过一台用于指明磨光宝石是否是未处理的天然钻石的第一台仪器的沿图2的I-I线垂直的局部垂直剖面图；
图2为图1的仪器的平面图，图中顶盖部分和另外一些部件没有示出；
图3为第一台仪器的样品室的透视图；
图4为第一台仪器的样品保持器的透视图；
图5为从后侧观察第一台仪器的壳体的透视图；
图6为从前侧观察在壳体中的第一台仪器的透视图；
图7为通过第二台仪器的垂直剖面示意图；
图8为第二台仪器的平面示意图；和
图9为通过第三台仪器的垂直剖面示意图。
具体实施方式
图1到6的仪器
为了提供一种整装式且独立式的仪器，这种仪器具有一个作为支撑结构以安装其它部件的框架1。框架1在两侧是敞开的，提供了检修操作的通道，框架1被一个可拆卸的塑料壳体1c(见图5和图6)所覆盖，壳体1c把大部分部件都包覆在其内了。框架1包括一个盖1a和一个用螺钉固定到盖1a上的底板1b，大部分部件则用螺钉固定到底板1b上。隔热的圆柱形(细长断面的)热塑薄壁容器或者深冷剂浴槽2安装在框架1的顶部。浴槽2位于由诸如聚苯乙烯之类的膨胀硬泡沫塑料制成的用作隔热的圆筒2a内。浴槽2用于盛放液氮3和待检测的磨光宝石4；浴槽2必须具有合适的尺寸，以便盛放预计最大的钻石和足够数量的液氮；浴槽2是细长形的，以便在保持此仪器的前面到后面的尺寸尽可能小时使它的平面面积最大。浴槽2在它的底部有一个窗口5，宝石4的一个小平面(最好是宝石的经琢磨的顶面)将放置在这个窗口上。浴槽2有一个椭圆形盖或者样品室盖6。向下伸出的细杆或保持器杆8用于使宝石4紧靠窗口5固定，并且使宝石4对准中心。
固定杆8是一根热质量低的的硬管，它的内径典型地为1到3毫米，并由能够承受液氮温度的合适的工程塑料制成。固定杆8的形式为滑动构件，其通过例如摩擦配合或简单的滑动配合以接纳不同高度(宝石的顶面(table)到底面的点距离)的宝石。这样安置能够做到，在把固定杆8下降到早已存在于浴槽2中的液氮中之前，借助于摩擦或诸如“Blu Tac(蓝氰尿酸三烯丙脂)”之类的粘附剂把宝石4的底面压到固定杆8的下端处并保持就位，直到宝石4的顶面与窗口5接触。
下文还将对这种仪器的上面部分作更详细的说明，其包括浴槽2、样品室盖6和伸出杆8。
框架1内包含有第一小型固态(绿光)激光器9以及第二(红光)激光器10。框架1内还有两台在一个或多个适当范围内敏感的小型的灵敏的CCD(电荷耦合器件)光谱计11a和11b。由螺栓把激光器9、10和光谱计11a、11b固定到底板1b上。由独立的光导纤维光缆12、13、14a和14b，或单条四股分叉的光导纤维光缆把激光器9、10和光谱计11a、11b耦合到窗口5。由在浴槽2的底部的平面处终结的光导纤维光缆12、13、14a和14b的四个端部，或该单条光缆的端部形成窗口5。以这种方式，激光器9、10被耦合到了窗口5，用于以两种不同的波长的射线照射宝石4，而光谱计11a、11b被耦合到窗口5，用以感受由宝石4发射的光致发光光谱，并在它们的输出端给出相应的光谱数据信号。光导纤维光缆12、13、14a和14b的端部被一个保持在套管形的护圈15中的薄的钢套圈(未示出)所包围。或者，在浴槽2的底部开一个较小的孔，并且省去护圈15。护圈15和光导纤维光缆12、13、14a和14b都具有低的热质量(即通常是薄的或者是小直径的)，并且能够承受热冲击。最好，在窗口5处，形成光缆13、14a和14b中的每一条光缆的单独一条光导纤维被形成来自激光器9的激励光缆12的部分的一束光导纤维所包围。激励光缆12，以及可选的12、13、14a和14b所有这些光缆的光导纤维的直径优选是约250微米或约200微米，或者更小一些。
在窗口5与光谱计11a和11b之间，有图中以附图标记16a和16b表示的阻挡滤光器，其用来过滤波长为照射射线波长的射线，例如阻挡在光谱计11a和11b检测的范围内的波长为激光器9和10发出射线波长的射线。在两个激光器9和10之间设置了一个用于开关的简单装置。出于安全的考虑，激励光缆12在它的前面具有一个机械活门(未示出)，这个阻塞活门设置成当盖开启时活门就关闭。激光器10具有一个电子安全装置(未示出)，此装置由与样品室盖6相连的正向断路微型开关触发，当盖开启时此开关就使激光器10断电。
为了分析来自光谱计的光谱数据，并且确定宝石4是否是未处理的天然钻石等，光谱计11a和11b的输出端被连接到处理器，该处理器的形式为在印刷电路底板17上的电子控制板，该印刷电路底板17则由螺钉固定到底板1b上。该处理器又被连接到显示器18，以便显示指明该宝石4是一颗未处理的天然钻石，还是一颗经照射的钻石，或是一颗合成钻石的信息。显示器18能够给出数字的或文字的结果。图中示出了以控制按钮19、20的形式出现的手动控制件。
图3和4示出了与浴槽2直接有关的那些零件的细节。平台31固定到盖1a上，以便它可以装到浴槽2和隔热筒2a的上方。平台31带有一个安装有转动销33的转动件32，固定到样品室盖6上的支臂34可以绕转动销33转动。支臂34具有一个开有几个孔的且用于与激光器9前面的机械活门(未示出)连接的尾部35(见图1)，以便当样品室盖6开启时，激光器9则被遮盖。
平台31具有两个向上突出的销36，该销穿过该可拆卸的样品保持器37的端部处的孔。样品保持器37具有一个整体样品保持器盖或罩38，固定杆8穿过盖38形成简单的滑动配合(虽然这也可能是一种摩擦配合)，杆8在其顶部具有一个用来操作的小盘39。样品保持器37在它的端部两侧压有滚花，在每一只手的拇指和食指之间握住其端部的两侧，就能够简单地进行操作了，从而把保持器37放置在销36的上方。
在图1和3中能够看到，孔板41与浴槽2的上缘接合，其上具有一个大的中心孔和另外若干个孔供气化的深冷剂通过。孔板41减少了使用者把手指伸进浴槽2中的深冷剂3中的危险。在图1中能够看到，样品保持器盖38正好与孔板41中的较大的中心孔对齐，盖38在孔的上方。
图中示出了用以保护激光器9的后部的后盖42。壳体1c被两个螺钉(未示出)固定在底板1b上，而且壳体1c具有用于盖6、显示器18、控制按钮19、20和后盖42的适当开口。
示例
[044]图1到6的仪器的例子具有如下部件：
框架1：高度约111毫米，宽度×长度为184×240毫米；
整个仪器：高度150毫米，宽度×长度为220×300毫米；
浴槽2：深度30毫米，内腔的长、短轴分别为100毫米和40毫米，给出3600毫米2的平面面积；
伸出杆8：缩醛树脂；
第一激光器9：波长532纳米，由台湾Laedlight Technology公司供应的Nd:YVO4 GLM-110系列的倍频激光器，功率50毫瓦，直径20毫米，长度50毫米(另一种可供选用的是一种Nd:YAG倍频激光器，但是长度为140毫米)；
第二激光器10：655纳米(可以在约630纳米和700纳米之间设定)，由Sanyo公司供应的小型二极管激光器DL-5147-041，功率50毫瓦，直径小于10毫米，长度小于10毫米。
光谱计11a、11b：由Ocean Optics公司制造、World PrecisionInstruments销售的双光栅SD2000型的光谱计，近似100毫米长，140毫米宽，40毫米高，为了提高光谱的分辨率，在每一台光谱计的入射狭缝的前面可以放置一条100微米的狭缝；光谱计11a、11b在550到1000纳米之间感受带有零声子(zero-phonon)线的发光特性。光谱计11a、11b检测分别由激光器9和激光器10激励的射线。
激励光导纤维光缆12：250微米直径的光导纤维束；
激励光导纤维光缆13：单股250微米直径的光导纤维；
光导纤维光缆14a、14b：单股250微米直径的光导纤维；
护圈15：缩醛树脂；
滤光器16a、16b：长波长的滤光器(例如Schoott玻璃OG550和RG695)，可以分别阻挡激光器9、10的波长的光；
处理器：Texas TMS320 F206单片集成电路，16位带有32千字节的可编程存储器和9千字节的主存储器，还有其它一些器件，排列在尺寸约235×160毫米的印刷电路板17上；
显示器18：具有两行、每一行24个字的液晶装置，形成了上述印刷电路板的面板，显示屏的尺寸近似为105×30毫米；
重量：小于3千克，也就是，是一种便携的、整装在壳体内的、独立的仪器；
操作：有关高压高温处理的光谱学方面的细节可以参阅上文提到的Fisher等人的那篇文章。本发明的仪器在575纳米、637纳米和737纳米处检测带有零声子线的发光特性。这些线具有由化学汽相淀积(CVD)法生成的钻石的典型特征。本发明的仪器也能够检测某些由高压高温合成的人造钻石的特性的特征。这些特性是由与原子钴和镍有关的杂质引发的，而且它们的发光波峰出现在580.4纳米、720纳米、753纳米和793纳米处。这种仪器还能够检测在741纳米(GR1波段)处的一条零声子线，这正是经受过照射处理的钻石的特性。从575纳米与637纳米特性的亮度比能够确定是否经过高压高温处理。还能够把本发明的仪器设计成用于检测在987纳米(H2波段)处的特性，这种特性的出现确定了是否已经对type I(一类)钻石进行过了一种用于改变钻石的色彩的高压高温处理。这种仪器还能够检测在532纳米或655纳米频率处由照射引起的一阶Raman-Stokes线(喇曼-斯托克斯线)，并且使用此线的高度使光致发光信号的波幅标准化，从而给出光致发光光谱的定量结果。
如上所述，图1到6的仪器设计成能够显示三种可能的结果中的一种，即“通过”、“提交权威机构检查(refer)”和“提交权威机构检查(refer)，同时给出某些光谱特征的亮度比的数字结果”。
因此，图1到6的仪器能够指明一颗磨光宝石是否是一颗未经受照射处理的和未经受高压高温处理的天然钻石。然而，通过有选择地检测特定的发光波峰，可把这种仪器配置成只是指明一颗磨光宝石是否是一颗未经受照射处理的天然钻石，或者只是指明一颗磨光宝石是否是一颗未经受高压高温处理的天然钻石。
图7和8的仪器
图7和8的仪器基本上与图1到6的仪器相似，并且对于相同的或相似的部件使用相同的附图标记。这种仪器具有单独一条检测光缆14的单独一台光谱计11。其具有单独一个滤光器16。这表明，如果希望的话，能够从图1到6的设置中省去一台光谱计，并且在这单台光谱计中插入一个适当的滤光器，并且省去有关的光导纤维光缆或引线。固定杆8就固定在平盖7上，其形成了盖装置的一部分，这种配置比图1到6的仪器的配置更加简单。图中未示出用于激光器9的机械活门，但是可以配置一个这样的活门，因而，当盖6开启时使激光器9断电。
在图7和8的仪器的(未示出的)不同布置中，使用了双股分叉的光导纤维光缆。来自一个激光器9、10的光直接投射在位于光导纤维光缆的一条引线前面的活门上。来自第二激光器的光通过一个由机械电磁线圈激励的双棱镜装置沿第一激光器的光路被反射。
图7和8的仪器可以作为上述示例所描述中的仪器。此单台滤光器16可以是一种组合的长波长的滤过器(例如Schoott玻璃OG550)，和一种陷波滤光器，用以阻挡来自第一激光器9和位于第二激光器10的波长中心处的光，并且阻挡波长在1到5纳米范围内的光。
圆形横断面的容器深20毫米，内径20毫米，给出约315毫米2的平面断面面积。
图9的仪器
图9的仪器与图7和8的仪器具有不同的尺寸，但是，除了前者省略了第二激光器外，两者很类似。相同的附图标记表示相同的部件。图中示出了光导纤维光缆12、14。
本文中使用的术语“激光器”包括任何相关射线源。文中使用的术语“光谱计”包括任何能够检测或感受有关光致发光波长的检测器，而且是一种简单的形式，可能仅仅是一个窄波段滤过器和一个光电倍增管。
除非上下文明确地需要的外，在整个说明书和权利要求书中，“包括”“包含”以及类似的词被理解为开放性地包含，与排它性或穷尽性的含义相反；这也就是说，意思是指“包括，但是不限于”。
上文只是用示例的方式对本发明进行了说明，但是还可以进行修改。
Claims (44)
1.一种用于检验宝石(4)的装置，其包括：
用于容纳该宝石并且具有窗口(5)的隔热容器(2)；
使用深冷剂冷却该容器的装置；
用于该容器的盖(6或38)；
用于经由所述窗口照射该宝石的激光器(9或10)；
光谱计(11、11a或11b)，其用于经由所述窗口检测由该宝石所发出的光致发光光谱并且在它的输出端给出相应的光谱数据信号；
阻挡滤光器(16、16a或16b)，其位于该窗口和该光谱计之间，以用于滤出该照射射线波长的射线；
处理器，其连接到该光谱计的输出端，以用于分析来自该光谱计的光谱数据；
连接到该处理器的显示器(18)，其用于显示关于该宝石的信息；和
支撑结构(1)；
其特征在于，该装置用于指明磨光宝石(4)是否是未经受照射处理和/或未经受高压高温处理的天然钻石，该处理器和该显示器(18)用于指明该宝石是否是未经受照射处理和/或未经受高压高温处理的天然钻石；
该容器(2)用于容纳该宝石和该深冷剂，以便将该宝石直接浸在该深冷剂中，并且该窗口(5)位于该容器的底部，以便将该宝石的一个小平面放置在邻近该窗口处；和
该支撑结构(1)安装有上述部件，并提供了一整装在壳体内的且独立的仪器，该激光器(9或10)被耦合到所述窗口，且该光谱计(11、11a或11b)被耦合到所述窗口。
2.如上述权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光器(9)发射出约530纳米的射线。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光器(10)发射出在约630纳米和700纳米之间的射线。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述激光器(10)发射出约655纳米的射线。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的一个或多个激光器(9，10)用于以至少两种不同波长的射线来照射该宝石(4)。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述至少两种波长是大约530纳米和在大约630～700纳米之间。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述至少两种波长是大约530纳米和大约655纳米。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，其具有至少两个所述激光器(9，10)，两者都耦合到所述窗口(5)，用于以不同波长的相应射线来照射该宝石。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的一个或多个激光器(9、10)是小型的固态激光器。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该光谱计(11、11a或11b)检测至少一个特定的发光波峰的存在。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该光谱计(11、11a或11b)检测至少一个发光波峰，由此指明该钻石(4)是否是通过高压高温合成而生成的合成钻石。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，该光谱计(11、11a或11b)检测580.4纳米、720纳米、753纳米和793纳米中的一个或几个处的发光波峰，由此指明该钻石(4)是否是通过高压高温合成而生成的合成钻石。
13.如权利要求1项所述的装置，其特征在于，该光谱计(11、11a或11b)检测至少两个特定的发光波峰的存在，并且该处理器求出波峰的比值，以确定该钻石是否经受过高压高温处理。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述的至少两个波峰为575纳米和637纳米。
15.如权利要求10所述的装置，其特征在于，该光谱计(11、11a或11b)检测在737纳米处的发光波峰，由此确定该钻石(4)是否是合成的。
16.如权利要求10所述的装置，其特征在于，该光谱计(11、11a或11b)检测在741纳米处的发光波峰，由此确定该钻石是否经受过照射处理。
17.如权利要求10所述的装置，其特征在于，该光谱计(11、11a或11b)检测在987纳米处的发光波峰，由此确定该钻石(4)是否经受过高压高温处理。
18.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该光谱计(11、11a或11b)按照钻石在该光致发光光谱中的喇曼波峰的波幅给出一个信号，并且根据该喇曼波峰的波幅使该处理器的输出标准化。
19.如权利要求1所述的装置，其特征在于，其具有至少两台所述光谱计(11、11a或11b)，两者都耦合到所述窗口。
20.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该光谱计或每一个光谱计(11、11a或11b)在约550到约1000纳米的范围内是敏感的。
21.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该光谱计或每一个光谱计(11、11a或11b)是小型CCD电荷耦合器件光谱计。
22.如权利要求1所述的装置，其特征在于，光导纤维光缆(12、13、14a或14b)实际上把该激光器(9、10)和该光谱计(11、11a或11b)耦合到所述窗口(5)。
23.如权利要求22所述的装置，其特征在于，该光导纤维光缆(12、13、14a或14b)的端部形成所述窗口(5)。
24.如权利要求22所述的装置，其特征在于，在所述窗口(5)附近，第一光导纤维光缆(13、14a或14b)被一条由一束单独纤维形成的另一光导纤维光缆(12)的单独纤维所包围。
25.如权利要求22所述的装置，其特征在于，该光谱计(11、11a或11b)被第一光导纤维光缆(14a或14b)连接到所述窗口(5)，该第一光导纤维光缆在所述窗口附近被来自所述激光器(9或10)的另一光导纤维光缆(12)的单独纤维所包围，所述另一光导纤维光缆是由一束单独纤维形成的。
26.如权利要求24所述的装置，其特征在于，所述第一光导纤维光缆(13、14a或14b)的横截面积显著地小于所述另一光导纤维光缆(12)的横截面积。
27.如权利要求25所述的装置，其特征在于，所述第一光导纤维光缆(13、14a或14b)的横截面积显著地小于所述另一光导纤维光缆(12)的横截面积。
28.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述支撑结构(1)包括单个的壳体，该壳体包容除了该隔热容器(2)、该显示器(18)和至少一个手动控制件(19或20)以外的所有的所述部件，该容器(2)容纳在该壳体的顶部。
29.如权利要求1所述的装置，其特征在于，其具有一个用于抵靠所述窗口(5)保持该宝石(4)的部件(8)。
30.如权利要求29所述的装置，其特征在于，该容器的盖(6或38)具有一个用于覆盖该容器(2)的顶部的部件(38)和一个在其下端带有凹口的向下突出部分(8)，以用于与该宝石(4)接合并且抵靠所述窗口(5)保持该宝石。
31.如权利要求30所述的装置，其特征在于，该向下突出部分(8)是中空的管。
32.如权利要求1所述的装置，其具有小于约150毫米的高度。
33.如权利要求32所述的装置，其具有约100毫米的高度。
34.如权利要求1所述的装置，其具有小于约550毫米的平面长度。
35.如权利要求34所述的装置，其具有约150毫米或更小的高度。
36.如权利要求1所述的装置，其具有小于约50毫米的容器深度。
37.如权利要求36所述的装置，其具有小于约30毫米的容器深度。
38.如权利要求1所述的装置，其具有小于约5000毫米2的容器平面面积。
39.如权利要求38所述的装置，其具有小于约400毫米2的容器平面面积。
40.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该窗口(5)的尺寸远小于该隔热容器(2)的底部的尺寸。
41.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该容器(2)设置成，以便用于容纳作为深冷剂的液氮。
42.一种用于检验宝石(4)的方法，其包括用激光器(9或10)照射该宝石，检测由该宝石发射出的光致发光光谱，并且在显示器(18)上显示有关该宝石的信息，使用一种包括支撑结构(1)的装置，该支撑结构(1)至少携带下列部件：用于容纳该宝石并且具有至少一个窗口(5)的隔热容器(2)；使用深冷剂冷却该容器的装置；用于该容器的盖(6或38)；用于经由所述窗口照射该宝石的激光器(9或10)；光谱计(11、11a或11b)，其用于经由所述窗口检测由该宝石所发出的光致发光光谱并且在它的输出端给出相应的光谱数据信号；阻挡滤光器(16、16a或16b)，其位于该窗口和该光谱计之间，以用于滤出该照射射线波长的射线；处理器，其连接到该光谱计的输出端，以用于分析来自该光谱计的光谱数据；以及连接到该处理器的显示器(18)，其用于显示关于该宝石的信息；
其特征在于，该方法用于指明磨光宝石(4)是否是未经受照射处理和/或未经受高压高温处理的天然钻石，该处理器用于指明该宝石是否是未经受照射处理和未经受高压高温处理的天然钻石，并且该显示器(18)用于显示出指明该宝石是否是未经受照射处理和/或未经受高压高温处理的天然钻石的信息；
该宝石和该深冷剂放置在该容器(2)中，以便将该宝石直接浸在该深冷剂中，并且该窗口(5)位于该容器的底部，以便将该宝石的一个小平面放置在邻近该窗口处；和
该支撑结构(1)安装有上述部件，并提供了一整装在壳体内的且独立的仪器，该激光器(9或10)被耦合到所述窗口，且该光谱计(11、11a或11b)被耦合到所述窗口。
43.如权利要求42所述的方法，其特征在于，筛选该磨光宝石以便剔除所有那些合成的钻石和非Type II二类的天然钻石，并且那些未被剔除的宝石将使用所述装置进行测试。
44.如权利要求42或43中的任何一项所述的方法，其特征在于，该深冷剂是液氮。
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